超声波引发有机反应

超声波引发有机反应

如果简单地回顾一下有机合成化学的进展，你会发现其中充满了令人惊异的巨大成就。现在，化学家们已经有能力创造出一些极其复杂的全新的分子，其复杂程度甚至可以与生命体中最复杂的分子相媲美。然而时至今日，有机化学家们用以引发有机反应的方法，基本上还是将几种反应物混合并加热。这种方法的起源甚至可以追溯到中世纪，就其本质而言，与古代炼金术士所使用的方法并无二致。

我们得承认，加热确实是使分子能量增加并进而发生化学反应的可靠方法，但同时它的效率却实在不高。加热使反应体系中所有分子的热运动加速，但只有当合适的分子具有足够的能量，沿着合适的方向发生碰撞，才有可能引发化学反应。这就好比投篮时不看篮筐方向，随机地向各个方向投球，命中的几率无论如何也不可能高。

化学家们一直在探索其他引发化学反应的方法，并已取得，很大进展。现在化学家们已经可以使用光、电、微波等手段引发有机化学反应，甚至有人尝试利用类似回旋加速器的装置加速离子和分子，从而引起化学变化。

那么，超声波能引发有机化学反应吗？

有机化学家之所以对超声波的兴趣日益增长，原因在于超声波在液体中会形成一种非常特殊的“空化效应”。当超声波以纵波形式在液体中传播时，在压缩相和稀疏相所导致的正负压力的交替作用下，液体分子的间距将会随之减小或增大。如果超声波的声强足够大，液体所受的负压足够强，分子的间距就有可能被拉大到超过极限距离。也就是说，液体将会被“撕裂”，形成所谓的“空化泡”。在随之而来的正压作用下，这些“空化泡”将被急速地压缩，以至完全崩溃。在“空化泡”向内爆裂的瞬间，将急剧地释放出巨大的能量，以致在“空化泡”周围的极小空间内，会产生异乎寻常的高温（5000开以上）和高压（5×10⁷帕左右），并伴有时速高达400千米的射流！这种极端的物理环境，当然足以引发有机反应。事实上，这将有助于引发一般条件下难以发生甚至不可能发生的化学反应。

需要指出的是，这些极端的环境只出现在“空化泡”周围的极小空间，即所谓的“热点”内，而液体环境总体来说仍保持正常的温度与压力。这就是说，声场能量在“空化”过程中被有效地集中起来了。与常规方法（如热化学和光化学方法）相比，超声波的能量显然可以得到更加有效的利用。研究表明，超声波具有许多常规方法无可比拟的优点：它对许多有机反应都有明显的加速效应，与常规方法相比，反应时间可缩短数十至数百倍；反应产率往往可以得到显著提高；一些常规方法中比较严格的条件，如无水、无氧、高温、高压等，在超声波引发的化学反应中往往不再需要，这将大大简化实验操作，并将使化工生产的安全性大为提高；在某些情况下，超声波可以改变有机反应的途径，这将使一些利用常规方法无法合成或很难合成的化合物可以被顺利地合成出来。

其实早在1927年，美国普林斯顿大学化学实验室就发现了超声波能加速硫酸二甲酯等化合物的水解反应。1950年，化学家雷纳德在他的一篇论文中指出，超声波会非常有利于有机锂、镁、铝等化合物的合成。但由于当时超声波技术和设备等方面的限制，这些早期的研究成果没有受到应有的重视。直到20世纪80年代，化学家卢塞的研究小组发现，即使使用不完全脱水的工业乙醚，在超声波的辐射下也能进行格瑞雅反应！这是一个令人惊异的发现，因为如果按常规方法，格瑞雅反应必须在严格的无水条件下进行。从此，超声波引发的化学反应真正受到有机化学家们的重视，而其中最活跃的研究领域当属金属参与的多相反应。这不仅是由于这类反应对有机合成来说特别重要，而且由于超声波对金属本身有着极大的“激活”作用，从而非常有利于这类反应的进行。一个比较著名的例子：金属钾在适当的溶剂中会在超声波辐射下分散成极细的粉末（即UDP，超声分散钾），利用超声分散钾进行环戊二烯基铁配合物的合成，整个反应10分钟就可以完成，而采用常规方法则需要7天。现在，有机锂、镁、锌、铜、锡、汞等几乎所有的常见金属有机试剂都可以借助超声波快速生成。

1986年，第一届国际声化学学术讨论会在英国召开，这标志着声化学的真正崛起。《泰晤士报》对此的评价是“一场新的上业革命就在眼前，它将使塑料、洗涤剂、制药的生产技术焕然一新……这就是被称作声化学的新的科学分支。”

作为有机化学的一门全新分支，声化学目前还存在不少困难和问题。例如，反应的控制是声化学面临的问题之一，超声波瑙射对某些反应加速效果极佳，而对另一些反应却没有明显的促进效果，其反应机理尚需深入研究。不过科学家们相信，随着反应机理研究和实验手段的进展，声化学的前景是令人乐观的。现在我们可能正站在一个意想不到的奇境的入口。